第４０卷第１６期２０２０年８月生態(tài)學(xué)報ＡＣＴＡＥＣＯＬＯＧＩＣＡＳＩＮＩＣＡＶｏｌ．４０，Ｎｏ．１６Ａｕｇ．，２０２０基金項目：國家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)科研專項（２０１４０４２０２）
收稿日期：２０１９?０８?２３；一一網(wǎng)絡(luò)出版日期：２０２０?０６?０８
?通訊作者Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ．Ｅ?ｍａｉｌ：ｅｒｘｉｎ２２２＠１６３．ｃｏｍ
ＤＯＩ：１０．５８４６／ｓｔｘｂ２０１９０８２３１７５６
翟國慶，韓明釗，李永江，王恩姮．黑土坡耕地有機(jī)碳變化及固碳潛力分析．生態(tài)學(xué)報，２０２０，４０（１６）：５７５１?５７６０．
ＺｈａｉＧＱ，ＨａｎＭＺ，ＬｉＹＪ，ＷａｎｇＥＨ．Ｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｃｈａｎｇｅａｎｄｃａｒｂｏｎｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆｓｌｏｐｉｎｇｆａｒｍｌａｎｄｉｎｔｈｅｂｌａｃｋｓｏｉｌａｒｅａ．ＡｃｔａＥｃｏｌｏｇｉｃａＳｉｎｉｃａ，２０２０，４０（１６）：５７５１?５７６０．黑土坡耕地有機(jī)碳變化及固碳潛力分析
翟國慶，韓明釗，李永江，王恩姮?
東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，哈爾濱一１５００４０
摘要：東北黑土區(qū)自開墾以來有機(jī)質(zhì)含量逐漸降低，有機(jī)碳庫長期處于虧缺狀態(tài)，理論上也具有較大的固碳潛力三以典型黑土區(qū)長期傳統(tǒng)作業(yè)的坡耕地（３０ ６０ａ）為研究對象，通過測定不同坡位（坡上侵蝕區(qū)和坡下沉積區(qū)）二不同土層（表土和底土）有機(jī)碳分布特征，估算不同開墾年限黑土固碳潛力及其恢復(fù)至固碳潛力所需的時間三結(jié)果表明：（１）總有機(jī)碳二有機(jī)碳密度以及碳飽和水平均表現(xiàn)為沉積區(qū)顯著大于侵蝕區(qū)，表土顯著大于底土，且均在開墾３０ａ坡耕地達(dá)到最大值；（２）固碳潛力表現(xiàn)為侵蝕區(qū)（１．２４ ２．８９ｋｇ／ｍ２）顯著大于沉積區(qū)（０．７９ １．０４ｋｇ／ｍ２），底土（０．８３ ３．５９ｋｇ／ｍ２）顯著大于表土（０．６ ２．５３ｋｇ／ｍ２），隨著開墾年限的增加表現(xiàn)為開墾３０ａ顯著小于開墾４０ａ二６０ａ；（３）黑土坡耕地（３０ ６０ａ）侵蝕區(qū)和沉積區(qū)土壤（０ ５０ｃｍ）達(dá)到固碳潛力分別需要２０ １８１ａ和１３ ６６ａ三黑土坡耕地固碳潛力的時空變異性在農(nóng)業(yè)經(jīng)營以及修復(fù)管理過程中需引起重視，以實現(xiàn)黑土資源的可持續(xù)利用三
關(guān)鍵詞：開墾年限；表土和底土；侵蝕?沉積區(qū)；有機(jī)碳密度；固碳時間
ＯｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｃｈａｎｇｅａｎｄｃａｒｂｏｎｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆｓｌｏｐｉｎｇｆａｒｍｌａｎｄｉｎｔｈｅｂｌａｃｋｓｏｉｌａｒｅａＺＨＡＩＧｕｏｑｉｎｇ，ＨＡＮＭｉｎｇｚｈａｏ，ＬＩＹｏｎｇｊｉａｎｇ，ＷＡＮＧＥｎｈｅｎｇ?
ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＦｏｒｅｓｔｒｙ，ＮｏｒｔｈｅａｓｔＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５００４０，Ｃｈｉｎａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＳｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｍａｔｔｅｒｈａｓｇｒａｄｕａｌｌｙｄｅｃｒｅａｓｅｄｓｉｎｃｅｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｒｅｃｌａｍａｔｉｏｎｏｆｂｌａｃｋｓｏｉｌｉｎＮｏｒｔｈｅａｓｔＣｈｉｎａ，ａｎｄｔｈｅｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｐｏｏｌｈａｓｍａｉｎｔａｉｎｅｄａｄｅｆｉｃｉｅｎｔｓｔａｔｅｆｏｒａｎｅｘｔｅｎｄｅｄｐｅｒｉｏｄ，ｗｈｉｃｈｉｎｔｈｅｏｒｙｌｅａｄｓｔｏａｇｒｅａｔｅｒｃａｒｂｏｎｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎｐｏｔｅｎｔｉａｌ．Ｂａｓｅｄｏｎｓｌｏｐｉｎｇｆａｒｍｌａｎｄｓ（３０ ６０ａ）ｉｎａｔｙｐｉｃａｌｂｌａｃｋｓｏｉｌａｒｅａ，ｔｈｅｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｏｉｌｌａｙｅｒｓ（ｔｏｐｓｏｉｌａｎｄｓｕｂｓｏｉｌ）ａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｌｏｐｅｐｏｓｉｔｉｏｎｓ（ｕｐｐｅｒ?ｓｌｏｐｅｅｒｏｄｅｄａｒｅａａｎｄｌｏｗｅｒ?ｓｌｏｐｅｄｅｐｏｓｉｔａｒｅａ）ｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｏｎｓｌｏｐｉｎｇｆａｒｍｌａｎｄｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｅｃｌａｍａｔｉｏｎｙｅａｒｓａｎｄｄｕｒａｔｉｏｎｔｏｍｅｅｔｔｈｅｃａｒｂｏｎｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎｐｏｔｅｎｔｉａｌｗｅｒｅｅｓｔｉｍａｔｅｄ．Ｔｈｅ
ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔ：（１）ｔｈｅｔｏｔａｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎ，ｔｈｅｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｄｅｎｓｉｔｙ，ａｎｄｔｈｅｃａｒｂｏｎｓａｔｕｒａｔｉｏｎｌｅｖｅｌｉｎｌｏｗｅｒ?ｓｌｏｐｅｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｒｅａｓａｎｄｉｎｔｈｅｔｏｐｓｏｉｌｌａｙｅｒｗｅｒｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎｔｈｏｓｅｉｎｕｐｐｅｒ?ｓｌｏｐｅｅｒｏｄｅｄａｒｅａｓａｎｄｓｕｂｓｏｉｌｌａｙｅｒ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ａｌｌｔｈｅｉｒｍａｘｉｍｕｍｖａｌｕｅｓｗｅｒｅｆｏｕｎｄｔｏｏｃｃｕｒｏｎｓｌｏｐｉｎｇｆａｒｍｌａｎｄｗｉｔｈ３０ｙｅａｒｓｏｆｒｅｃｌａｍａｔｉｏｎ．（２）Ｔｈｅｃａｒｂｏｎｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆｕｐｐｅｒ?ｓｌｏｐｅｅｒｏｄｅｄａｒｅａｓ（１．２４ ２．８９ｋｇ／ｍ２）ａｎｄｓｕｂｓｏｉｌ（０．８３ ３．５９ｋｇ／ｍ２）ｗａｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｌｏｗｅｒ?ｓｌｏｐｅｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｒｅａｓ（０．７９ １．０４ｋｇ／ｍ２）ａｎｄｔｏｐｓｏｉｌ（０．６ ２．５３ｋｇ／ｍ２），ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆｃａｒｂｏｎｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎｗａｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｌｏｗｅｒｉｎｆａｒｍｌａｎｄｗｉｔｈ３０ｙｅａｒｓｏｆｒｅｃｌａｍａｔｉｏｎｔｈａｎｔｈａｔｉｎｆａｒｍｌａｎｄｓｗｉｔｈ４０ｙｅａｒｓａｎｄ６０ｙｅａｒｓｏｆｒｅｃｌａｍａｔｉｏｎ．（３）Ｉｔｗｉｌｌｔａｋｅ２０ １８１ａａｎｄ１３ ６６ａｔｏａｃｈｉｅｖｅｃａｒｂｏｎｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎｐｏｔｅｎｔｉａｌｉｎｕｐｐｅｒ?ｓｌｏｐｅｅｒｏｄｅｄａｒｅａｓａｎｄｌｏｗｅ
ｒ?ｓｌｏｐｅｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｒｅａｓｏｆｓｌｏｐｉｎｇｆａｒｍｌａｎｄ（３０ ６０ａ）ｉｎｂｌａｃｋｓｏｉｌ（０ ５０ｃｍ），
２５７５一生一態(tài)一學(xué)一報一一一４０卷一ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｍｏｒｅａｔｔｅｎｔｉｏｎｓｈｏｕｌｄｂｅｐａｉｄｔｏｔｈｅｓｐａｔｉａｌ?ｔｅｍｐｏｒａｌｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｃａｒｂｏｎｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｎｓｌｏｐｉｎｇｆａｒｍｌａｎｄｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆｂｌａｃｋｓｏｉｌｒｅｓｏｕｒｃｅｓ．
ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ｒｅｃｌａｍａｔｉｏｎｙｅａｒｓ；ｔｏｐｓｏｉｌａｎｄｓｕｂｓｏｉｌ；ｅｒｏｓｉｏｎ?ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｒｅａ；ｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｄｅｎｓｉｔｙ；ｃａｒｂｏｎｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎｄｕｒａｔｉｏｎ
土壤有機(jī)碳（ＳｏｉｌＯｒｇａｎｉｃＣａｒｂｏｎ，ＳＯＣ）封存在糧食安全和氣候變化方面發(fā)揮關(guān)鍵作用［１］三２１屆巴黎聯(lián)合國氣候大會上提出 千分之四 倡議（ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．４ｐ１０００．ｏｒｇ／ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ），即每年每公頃土壤固碳０．４ ０．６ｔ可抵消當(dāng)年全球溫室氣體（ＧｌｏｂａｌＧｒｅｅｎｈｏｕｓｅＧａｓ，ＧＨＧ）的排放［２?３］，而全球平均固
碳水平僅為０．２４ｔｈｍ－２ａ－１［２］，仍具有較大的固碳潛力三改善農(nóng)業(yè)管理措施二恢復(fù)退化農(nóng)田是封存有機(jī)碳的有效途徑之一，不僅可以抵消大氣中溫室氣體的排放，還能提升土地生產(chǎn)力二實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展［４?５］三但在長期耕作的坡地上，由于自然因素（地形二降水）和人為因素（耕作）使得土壤發(fā)生侵蝕?沉積作用，進(jìn)而導(dǎo)致ＳＯＣ在坡面尺度重新分布［６?７］，為農(nóng)田坡面碳封存的估算帶來不確定性三一般情況下，土壤侵蝕導(dǎo)致坡上侵蝕區(qū)ＳＯＣ大量流失，而坡下沉積區(qū)累積增加［８］，所以，侵蝕區(qū)土壤具有較大的固碳潛力［９］，而沉積區(qū)土壤固碳固潛力則相對有限［１０］三與此同時，因侵蝕?沉積作用而導(dǎo)致的不同土層碳儲量差異對固碳潛力的估算也具有重要貢獻(xiàn)［３，１１］三緩解氣候變化需要考慮ＳＯＣ的長效穩(wěn)定機(jī)制，因此，細(xì)顆粒礦物組分（＜２０μｍ，粉粒和黏粒）作為土壤碳穩(wěn)定潛力的代表已得到廣泛的應(yīng)用［３］三細(xì)顆粒礦物對有機(jī)碳的吸持限度被稱為土壤碳保護(hù)的最大容量或者碳飽和度，即理論碳飽和容量［１２］，而理論碳飽和容量與細(xì)顆粒有機(jī)碳的實際含量的差異被定義為碳飽和不足［１３］，即土壤固碳潛力［１０］三土壤固碳潛力不僅受到當(dāng)前礦物組分及有機(jī)碳含量的影響，還會受土地利用類型二土壤母質(zhì)二土壤質(zhì)地二氣候的影響［１４］三
東北黑土區(qū)是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地，同時也是四大水蝕區(qū)之一三腐殖質(zhì)層厚度已從墾前６０ ７０ｃｍ降至２０ ３０ｃｍ［１５］，農(nóng)田有機(jī)碳密度持續(xù)下降，有機(jī)碳庫長期處于虧缺狀態(tài)［１６］三黑土區(qū)因耕作而導(dǎo)致侵蝕退化的土壤具有較大的固碳潛力［１７］，理論上，侵蝕區(qū)相對沉積區(qū)以
及非耕層相對耕層具有更大的固碳潛力三本研究以典型黑土區(qū)長期傳統(tǒng)作業(yè)的坡耕地（３０ ６０ａ）為研究對象，探討坡上侵蝕區(qū)和坡下沉積區(qū)有機(jī)碳分布特征，并估計不同開墾年限侵蝕區(qū)和沉積區(qū)土壤固碳潛力的差異，旨為評估農(nóng)田黑土固碳潛力及退化黑土修復(fù)提供理論依據(jù)三
１一研究方法
１．１一研究區(qū)域概況
研究地點位于黑龍江省西北部的克山農(nóng)場（４８?１２? ４８?２３?Ｎ二１２５?０８? １２５?３７?Ｅ），海拔２４０ ３４０ｍ，溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫０．９?，年均降水量５０１．７ｍｍ，年均蒸發(fā)量１３２９ｍｍ，土壤以黏化濕潤均腐土（中國土壤分類系統(tǒng)）為主，屬于典型黑土區(qū)，坡緩而長，具有明顯的漫川漫崗地形特征三該區(qū)已全面實現(xiàn)機(jī)械作業(yè)，鏵式犁深翻配合圓盤靶整平是最常用的整地管理措施，多年平均整地深度（耕層）約為３０ｃｍ三
１．２一樣地選取與樣品采集
２０１８年１０月下旬（整地前），于２６連隊選擇開墾年限為３０ａ（４８?１７?９?Ｎ二１２５?２５?５１?Ｅ）二４０ａ（４８?１７?２?Ｎ二１２５?２６?１５?Ｅ）坡耕地，２０連隊選擇開墾年限６０ａ（４８?１５?２３?Ｎ二１２５?２０?１?Ｅ）坡耕地為研究對象（圖１），３個樣地自開墾以
來均為玉米和大豆輪作，且采樣時前茬作物均為青貯玉米，能夠作為該區(qū)長期機(jī)械作業(yè)坡耕地代表三由于長期耕作遷移以及水蝕共同作用，坡上形成凈遷移侵蝕區(qū)，而在坡下形成凈遷入沉積區(qū)［７］三為對比侵蝕區(qū)和沉積區(qū)土壤有機(jī)碳及固碳潛力的差異，分別在３０ａ，４０ａ和６０ａ坡耕地的坡上（約距坡頂端１０二２０二４０ｍ）和坡下（近坡底端）２個位置各設(shè)１處采樣點，挖掘土壤剖面（長二寬二深分別為１二０．５二１ｍ），總計６個土
壤剖面，使用分層抽樣方法在每個剖面分５層取樣（０ １０二１０ ２０二２０ ３０二３０ ４０二４０ ５０ｃｍ），每層土壤樣品均勻混合記為一個樣本，共獲取３０個樣本，然后將土壤樣品在通風(fēng)透氣處自然風(fēng)干后，過２ｍｍ篩，備用三需要說明的是，坡上侵蝕區(qū)排水良好，開墾３０ａ坡耕地的黑土層厚度約為４０ｃｍ，開墾４０ａ和６０ａ坡耕地黑土層厚度約為３０ｃｍ；坡下沉積區(qū)黑土層厚度約為５０ ６０ｃｍ，７０ｃｍ以下均處于長期浸水狀態(tài)，且本研究并未采樣到真正的埋藏層（６０ ８０ｃｍ），因此，沉積區(qū)０ ５０ｃｍ數(shù)據(jù)僅代表沉積區(qū)表層土壤三各層各指標(biāo)重復(fù)３次三樣地及土壤基本性質(zhì)見表
１三
圖１一研究區(qū)分布圖
Ｆｉｇ．１一Ｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔｕｄｙａｒｅａ
１．３一樣品處理與分析
將１０ｇ風(fēng)干土壤（＜２ｍｍ）置于５００ｍＬ三角瓶中，并加入０．５ｍｏＬ／ＬＮａＯＨ１０ｍＬ，再加入蒸餾水使體積達(dá)到２５０ｍＬ左右，充分搖勻后，置于電熱板加熱，微沸１ｈ后轉(zhuǎn)移土壤懸浮液至１Ｌ量筒，根據(jù)司篤克斯定律［１８］，在相應(yīng)深度和時間虹吸懸浮液，收集黏粒＋粉粒（＜２０μｍ）和黏粒（＜２μｍ）組分，在１０５?下烘干后，采用元素分析儀ｖａｒｉｏＴＯＣ（Ｅｌｅｍｅｎｔｅｒ，德國）測定ＳＯＣ含量，所有的土壤樣品都不含碳酸鹽［７］，所以ＳＯＣ含量即為總碳三
１．４一指標(biāo)計算
１．４．１一有機(jī)碳密度（ＣＤ）［１９］
ＣＤ＝ＣＴ?ＢＤ?（１－ＲＦ）?Ｔ?１０－２（１）式中，ＣＤ：有機(jī)碳密度（ｋｇ／ｍ２）；ＣＴ：總有機(jī)碳含量（ｇ／ｋｇ）；ＢＤ：體積密度（ｇ／ｃｍ３）；ＲＦ：＞２ｍｍ石礫含量（％），由于該區(qū)域為平原區(qū)域，大于２ｍｍ的礫石含量可以忽略不計［２０］；Ｔ是土層厚度（ｃｍ）三
３５７５一１６期一一一翟國慶一等：黑土坡耕地有機(jī)碳變化及固碳潛力分析一
表１一樣地及土壤的基本特性
Ｔａｂｌｅ１一Ｂａｓｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｆｉｅｌｄｓｉｔｅａｎｄｓｏｉｌｓａｍｐｌｅｓ
開墾年限Ｔｉｌｌａｇｅｙｅａｒｓ／ａ
坡度
Ｓｌｏｐｅ
ｇｒａｄｉｅｎｔ／?
坡長
Ｓｌｏｐｅ
ｌｅｎｇｔｈ／ｍ
坡位
Ｓｌｏｐｅ
ｐｏｓｉｔｉｏｎ
土層深
Ｓｏｉｌ
ｄｅｐｔｈ／ｃｍ
土壤容重
Ｓｏｉｌｄｅｎｓｉｔｙ／
（ｇ／ｃｍ３）
土壤含水量
Ｓｏｉｌ
ｍｏｉｓｔｕｒｅ／％
黏粒
Ｃｌａｙ／％粉粒Ｓｉｌｔ／％砂粒
Ｓａｎｄ／％
３０６．７６８ＥＳ１０１．１７?０．０６Ｂｃ３３．４２?０．７９Ｂａ３４．０５?４．５４Ａａ３６．３２?４．５４Ａａ２９．６３?９．０９Ａａ
２０１．１２?０．０５Ａｂ３３．６９?０．６４Ｂａ３２．２５?６．８７Ａａ３４．５０?６．８７Ａａ３３．２６?１３．７５Ａａ
３０１．０７?０．０４Ａｂ３３．４４?０．３Ｂａ３３．３０?７．６９Ａａ３５．５２?７．６９Ａａ３１．１９?１５．３８Ａａ
４０１．１４?０．０１Ａａｂ２９．７１?１．０４Ｂｂ３９．３５?６．８Ａａ４１．５７?６．８１Ａａ１９．０８?１３．６１Ｂａ
５０１．２２?０．０２Ａａ２８．９５?１．０７Ｂａ３４．５９?５．１Ａａ３６．８０?５．１Ａａ２８．６３?１０．２Ａａ
ＤＳ１００．９５?０．０４Ａａｂ４１．３４?０．２１Ａｂ２６．８２?２．６６Ａｂ２９．１２?２．６５Ａｂ４４．０６?５．３１Ａａ
２０１．１３?０．０２Ａｂｃ３８．９１?１Ａｃ３５．６６?２．５２Ａａ３７．８４?２．５２Ａａ２６．４９?５．０４Ａｂ
３０１．０９?０．０２Ａｃ４４．２４?１．０９Ａａ３３．４４?０Ａａ３５．６７?０Ａａｂ３０．８８?０Ａａｂ
４０１．１８?０．０３Ａｂ４３．８８?０．４５Ａａ３１．１６?２．５１Ｂａ３３．３３?２．５１Ｂａｂ３５．５１?５．０２Ａａｂ
５０１．１９?０．０３Ａａ４４．３３?０．７７Ａａ２９．２１?０Ａａ３１．４６?０Ａａｂ３９．３３?０Ａａｂ
４０４．８１２１ＥＳ１０１．０７?０．０９Ａａｂ３０．４６?１．９７Ｂａ３３．４４?０Ａｂ３５．６７?０Ａｂ３０．８８?０Ａａ
２０１．２０?０．０９Ａａ３０．１６?０．６１Ｂａ３６．４６?２．５８Ａａｂ３８．６９?２．５８Ａａｂ２４．８５?５．１５Ｂａｂ
３０１．３５?０．１Ａａｂ２８．３４?２．８３Ｂａｂ４３．６６?２．５６Ａａ４５．８８?２．５６Ａａ１０．４７?５．１３Ｂｂ
４０１．３７?０．０４Ｂａｂ２５．５５?１．６５Ｂｂ３７．５３?４．４２Ａａｂ３９．７４?４．４２Ａａｂ２２．７４?８．８３Ａａｂ
５０１．１８?０．２４Ａｂ２７．０４?０．５９Ｂｂ３４．４３?６．７２Ａｂ３６．６３?６．７２Ａｂ２８．９４?１３．４３Ａａ
ＤＳ１０１．２８?０．０５Ｂｂ３７．２３?１．３３Ａａ３７．３２?４．３９Ａａ３９．５２?４．３９Ａａ２３．１６?８．７８Ａｂ
２０１．３３?０．０２Ａａｂ３６．３３?０．６１Ａｂ２７．２２?２．８１Ｂｂ２９．４０?２．８１Ｂｂ４３．３８?５．６１Ａａ
３０１．２６?０．０１Ａａｂ３８．３２?０．４９Ａｂ３５．４５?２．６１Ｂａｂ３７．７１?２．６１Ｂａｂ２６．８４?５．２３Ａｂ
４０１．１７?０．０２Ａａ４１．５２?０．５５Ａａ３１．５３?６．７２Ａａｂ３３．７３?６．７２Ａａｂ３４．７２?１３．４４Ａａｂ
５０１．１１?０．１５Ａｂ４１．５１?２Ａａ２８．８６?４．４４Ａｂ３１．０８?４．４４Ａｂ４０．０７?８．８８Ａａｂ６０３．６２００ＥＳ１０１．０８?０．０４Ａｂ３３．２４?１．２Ｂａｂ３７．０４?４．３６Ａａｂ３９．２２?４．３６Ａａｂ２３．７５?８．７２Ａａ
２０１．１３?０．１６Ａａｂ３３．２９?０．９４Ａａｂ３３．９８?６．６２Ａｂ３６．１５?６．６２Ａｂ２９．８６?１３．２５Ａａ
３０１．３１?０．１２Ａａ３３．９９?３．３Ｂａ３５．４３?６．６３Ａｂ３７．６０?６．６３Ａｂ２６．９７?１３．２５Ａａ
４０１．３５?０．０５Ａａ３１．６３?１．４１Ｂｂ４４．２５?２．５１Ａａ４６．４３?２．５１Ａａ９．３２?５．０３Ａｂ
５０１．３０?０．０９Ａａｂ３０．２０?１．４７Ｂｂ３６．９２?４．３５Ａａｂ３９．０９?４．３５Ａａｂ２４．００?８．６９Ａａ
ＤＳ１０１．２５?０．０３Ａａ４１．１６?１．２７Ａａ３５．９０?２．５４Ａａ３８．０９?２．５４Ａａ２６．０１?５．０８Ａａ
２０１．１６?０．３４Ａａ３５．０６?０．０４Ａｃ３７．０８?４．３６Ａａ３９．２６?４．３６
Ａａ２３．６６?８．７３Ａａ
３０１．３３?０．０１Ａａ３６．８６?０．３８Ａｂｃ３５．５１?５．０２Ａａ３７．６８?５．０２Ａａ２６．８１?１０．０４Ａａ
４０１．３２?０．０１Ａａ３７．６５?１．０３Ａｂ３７．２４?４．３８Ａａ３９．４３?４．３８Ａａ２３．３３?８．７６Ａａ
５０１．３７?０．０４Ａａ３５．４２?１．７８Ａｃ３６．６４?４．３１Ａａ３８．７９?４．３１Ａａ２４．５７?８．６２Ａａ一一ＥＳ：侵蝕區(qū)Ｅｒｏｓｉｏｎｓｉｔｅ；ＤＳ：沉積區(qū)Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｓｉｔｅ；不同大寫字母（Ａ二Ｂ）表示相同土層深度侵蝕區(qū)和沉積區(qū)之間差異顯著，不同小寫字母（ａ二ｂ二ｃ）表示侵蝕區(qū)或沉積區(qū)不同土層深度之間差異顯著（Ｐ＜０．０５）
１．４．２一碳飽和水平（Ｃ
ＳＬ）［３］
ＣＳＬ＝Ｃｆｉｎｅ
Ｃｓａｔ
?１００（２）
Ｃｓａｔ＝０．４５?Ｍｆｉｎｅ（３）式中，ＣＳＬ：碳飽和水平（％）；Ｃｆｉｎｅ：細(xì)顆粒有機(jī)碳含量（ｇ／ｋｇ）；Ｃｓａｔ：碳飽和度（ｇ／ｋｇ），模型系數(shù)考慮了土壤礦物類型和土地利用類型以及氣候因素的影響，詳細(xì)情況可參考Ｆｅｎｇ等人［２１］的研究結(jié)果；Ｍｆｉｎｅ：＜２０μｍ細(xì)顆粒的質(zhì)量含量（％）三
１．４．３一固碳潛力（Ｃｓｅｑ）［３］
Ｃｓｅｑ＝Ｃｓｄ?ＢＤ?（１－ＲＦ）?Ｔ?１０－２（４）
Ｃｓｄ＝Ｃｓａｔ－Ｃｆｉｎｅ（５）４５７５一生一態(tài)一學(xué)一報一一一４０卷一
式中，Ｃｓｅｑ：固碳潛力（ｋｇ／ｍ２）；ＢＤ二ＲＦ二Ｔ同（１）式；Ｃｓｄ：碳飽和度不足（ｇ／ｋｇ）；Ｃｆｉｎｅ和Ｃｓａｔ同（２）和（３）式三
１．４．４一固碳時間（Ｃｔｉｍｅ）［２２］Ｃｔｉｍｅ＝ＣｓｅｑＣｒａｔｅ
（６）
式中，Ｃｔｉｍｅ：固碳時間（ａ）；Ｃｓｅｑ同（４）式；Ｃｒａｔｅ：固碳速率（ｔｈｍ－２ａ－１）；１ｔｈｍ－２ａ－１＝０．１ｋｇｍ－２ａ－１三１．５一數(shù)據(jù)分析根據(jù)該區(qū)機(jī)械耕作深度３０ｃｍ，將０ ５０ｃｍ土層劃分為耕層土壤（０ ３０ｃｍ）和非耕層土壤（３０ ５０ｃｍ）分別作為表土和底土進(jìn)行對比；其中，０ １０，１０ ２０，２０ ３０ｃｍ各土層數(shù)據(jù)算數(shù)平均值作為表土（０ ３０ｃｍ）結(jié)果；３０ ４０ｃｍ，４０ ５０ｃｍ各土層數(shù)據(jù)算數(shù)平均值作為底土（３０ ５０ｃｍ）結(jié)果三侵蝕區(qū)與沉積區(qū)之間二表土和底土之間采用Ｔ檢驗進(jìn)行差異分析（Ｐ＜０．０５）；不同開墾年限之間采用單因素方差分析（ＡＮＯＶＡ）和圖基（Ｔｕｒｋｅｙ）進(jìn)行差異分析（Ｐ＜０．０５）；侵蝕?沉積二表土?底土以及開墾年限三個因素之間采用多因素差異分析；分別使用ＳＰＳＳ２３和Ｏｒｉｇｉｎ２０１７進(jìn)行統(tǒng)計分析和繪圖三
２一研究結(jié)果
２．１一土壤固碳潛力估算方法的選擇
估算農(nóng)田土壤固碳潛力常用本底值法和模型法三本底值法是指在研究區(qū)首先確定未經(jīng)干擾的原生系統(tǒng)或經(jīng)營管理后已達(dá)最優(yōu)狀態(tài)的系統(tǒng)土壤有機(jī)碳庫儲量（本底碳庫），然后將預(yù)估算系統(tǒng)實際的土壤有機(jī)碳庫儲量與之相比較，二者差值即為固碳潛力［２３?２４］三然而有機(jī)碳庫依據(jù)周轉(zhuǎn)時間不同，既有不穩(wěn)定有機(jī)碳庫（如大顆粒有機(jī)碳，周轉(zhuǎn)時間數(shù)天或者數(shù)月），也有相對穩(wěn)定的有機(jī)碳庫（如細(xì)顆
粒有機(jī)碳，周轉(zhuǎn)時間幾年或數(shù)十年，甚至百年［２５］），很難判斷原生或最優(yōu)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳庫是否已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)或者碳飽和狀態(tài)三模型法是假設(shè)土壤有機(jī)碳隨著外源有機(jī)碳的輸入而線性增加，碳累積不受限制且碳分解速率保持不變［２６］三然而，因為土壤礦物顆粒有限的表面積致使其對有機(jī)碳的吸持能力具有最大限度［２７］三土壤碳飽和度表明，隨著碳輸入的增加，有機(jī)碳儲量將達(dá)到最大值，且有機(jī)碳累積速率將在此過程中降低［１２］，因此，不考慮有機(jī)碳飽和度，模型法估算土壤固碳潛力也可能產(chǎn)生較大不確定性三Ｆｅｎｇ等人［２１］綜合考慮土壤碳飽和度，使用細(xì)顆粒（＜２０μｍ）最大有機(jī)碳濃度作為基礎(chǔ)，通過邊界分析法實現(xiàn)了土壤固碳潛力的有效估算三鑒于黑土黏粒含量較高（３０％ ４５％），研究對象均為長期作業(yè)的坡耕地，且緩解氣候變化側(cè)重于有機(jī)碳的長期穩(wěn)定機(jī)制，所以本文采用了Ｆｅｎｇ等人［２１］構(gòu)建的模型方法估算土壤固碳潛力三
２．２一土壤有機(jī)碳與固碳潛力分布特征
土壤侵蝕?沉積作用顯著影響有機(jī)碳及固碳潛力相關(guān)指標(biāo)的空間分布三土壤總有機(jī)碳二有機(jī)碳密度以及土壤碳飽和水平均表現(xiàn)為沉積區(qū)顯著大于侵蝕區(qū)（Ｐ＜０．０５），且侵蝕?沉積區(qū)的差異均表現(xiàn)為開墾４０ａ二６０ａ坡耕地明顯大于開墾３０ａ；固碳潛力整體上表現(xiàn)為侵蝕區(qū)顯著小大于沉積區(qū)（Ｐ＜０．０５），侵蝕?沉積區(qū)的差異仍表現(xiàn)為開墾４０ａ二６０ａ坡耕地明顯大于開墾３０ａ（圖２）三在不同土壤深度水平上，各指標(biāo)均在表土（０ ３０ｃｍ）與底土（３０ ５０ｃｍ）之間表現(xiàn)出顯著差異，且侵蝕區(qū)的差異明顯大于沉積區(qū)三土壤總有機(jī)碳二有機(jī)碳密度以及土壤碳飽和水平均表現(xiàn)為表
土顯著大于底土（Ｐ＜０．０５）；固碳潛力則表現(xiàn)為底土顯著大于表土（Ｐ＜０．０５）（圖２）三隨著開墾年限的增加，土壤總有機(jī)碳二有機(jī)碳密度以及土壤碳飽和水平在侵蝕區(qū)（０ ５０ｃｍ）均表現(xiàn)為開墾３０ａ坡耕地顯著大于開墾４０ａ二６０ａ，而沉積區(qū)（０ ５０ｃｍ）有機(jī)碳密度則規(guī)律相反（Ｐ＜０．０５），且土壤有機(jī)碳二碳飽和水平?jīng)]有顯著差異三其中開墾３０ａ坡耕地侵蝕區(qū)有機(jī)碳密度和碳飽和水平分別達(dá)到最大值３．３５ｋｇ／ｍ２和６７％三固碳潛力在侵蝕區(qū)表現(xiàn)為開墾３０ａ坡耕地顯著小于開墾４０ａ二６０ａ，且達(dá)到最小值１．２４ｋｇ／ｍ２，而沉積區(qū)開墾６０ａ坡耕地固碳潛力顯著大于開墾３０ａ二４０ａ（Ｐ＜０．０５），且達(dá)到最大值１．０４ｋｇ／ｍ２（圖２）三２．３一土壤有機(jī)碳以及固碳潛力的影響因素
一般線性模型實驗結(jié)果表明，侵蝕?沉積二表土?底土以及侵蝕?沉積與開墾年限的交互作用二表土?底土與
５５７５一１６期一一一翟國慶一等：黑土坡耕地有機(jī)碳變化及固碳潛力分析一
圖２一土壤總有機(jī)碳二有機(jī)碳密度二碳飽和水平二固碳潛力變化
Ｆｉｇ．２一Ｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｔｏｔａｌｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎ，ｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｄｅｎｓｉｔｙ，ｃａｒｂｏｎｓａｔｕｒａｔｉｏｎｌｅｖｅｌａｎｄｓｏｉｌｃａｒｂｏｎｓｔｏｒａｇｅｐｏｔｅｎｔｉａｌ
不同大寫字母（Ａ二Ｂ）表示侵蝕區(qū)和沉積區(qū)的差異顯著，不同小寫字母（ａ二ｂ）表示表土和底土的差異顯著，不同小寫字母（ｘ二ｙ二ｚ）表示坡耕地不同開墾年限（３０ａ二４０ａ二６０ａ）之間全土的差異顯著（Ｐ＜０．０５）；圖中數(shù)據(jù)為平均值?標(biāo)準(zhǔn)差（ｎ＝３）
開墾年限的交互作用均對總有機(jī)碳二有機(jī)碳密度二碳飽和水平二固碳潛力這４個指標(biāo)有顯著影響（Ｐ＜０．０５）；而開墾年限二侵蝕?沉積與表土?底土與開墾年限三者交互作用均對上述４個指標(biāo)無顯
著影響三另外，侵蝕?沉積與表土?底土的交互作用對總有機(jī)碳二碳飽和水平以及固碳潛力均有顯著影響，而對有機(jī)碳密度沒有顯著影響（表２）三
土壤侵蝕?沉積作用以及長期耕作擾動均顯著影響土壤有機(jī)碳變化以及固碳潛力大小三其中，侵蝕?沉積區(qū)土壤碳固存相關(guān)指標(biāo)均有顯著差異，侵蝕區(qū)總有機(jī)碳二有機(jī)碳密度以及碳飽和水平均顯著小于沉積區(qū)，而固碳潛力均顯著大于沉積區(qū)（Ｐ＜０．０５）三表土總有機(jī)碳二有機(jī)碳密度以及碳飽和水平均顯著大于底土；而固碳潛力則表現(xiàn)為底土大于表土三隨著開墾年限的增加，總有機(jī)碳和碳飽和水平表現(xiàn)為開墾４０ａ二６０ａ坡耕地顯著小于開墾３０ａ，有機(jī)碳密度表現(xiàn)為先降低后增加的規(guī)律，且開墾３０ａ坡耕地達(dá)到最大值，固碳潛力表現(xiàn)為開墾３０ａ顯著小于開墾４０ａ二６０ａ（表３）三
６５７５一生一態(tài)一學(xué)一報一一一４０卷一
